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dissous dans des eaux côtières aux caractéristiques
contrastées
François-Pierre Danhiez
To cite this version:
François-Pierre Danhiez. Relations entre les propriétés optiques de la matière organique dissoute col-orée et le carbone organique dissous dans des eaux côtières aux caractéristiques contrastées. Biochimie [q-bio.BM]. Université du Littoral Côte d’Opale, 2015. Français. �NNT : 2015DUNK0395�. �tel-01333545�
DOCTEUR DE L’UNIVERSITE DU LITTORAL COTE D’OPALE SPECIALITE : OCEANOLOGIE BIOLOGIQUE
par
François-Pierre DANHIEZ
Relations entre les propriétés optiques de la matière
organique dissoute colorée et le carbone organique dissous
dans des eaux côtières aux caractéristiques contrastées
Soutenue le 18 décembre 2015
Devant le jury composé de : Rapporteurs :
Emma Rochelle-Newall Directeur de recherche IRD, iEES, Univ. Pierre et Marie Curie Richard Sempéré Directeur de recherche CNRS, MIO, Univ. Aix-Marseille II
Examinateurs :
Bruno Charrière Ingénieur de recherche CNRS, CEFREM, Univ. Perpignan Felipe Artigas Maitre de conférences, LOG, Univ. Littoral-Côte d’Opale
Directeurs de thèse :
Hubert Loisel Professeur, LOG-STI, Univ. Littoral-Côte d’Opale Vincent Vantrepotte Chargé de recherche CNRS, CNRS Guyane
qui je tiens à adresser mes remerciements
Mes remerciements vont tout d’abord à Mr Vincent Vantrepotte qui m’a accordé sa confiance et m’a permis de réaliser de ce travail de thèse. Je le remercie pour ses nombreux conseils avisés, sa participation active aux échantillonnages, ses encouragements, sa bonne humeur et son soutien qui m’ont permis de mener à bien ce projet. Grâce à sa forte implication qu’il a su me donner malgré la distance qui nous a séparé ou dans l’urgence, il a su me maintenir motivé, curieux et m’apporter les connaissances et le regard nécessaire à la réalisation de ce travail.
Je tiens à remercier également Mr Hubert Loisel d’avoir accepté de diriger cette thèse. Merci à lui pour son implication dans ce travail, ses conseils et ses corrections.
Je tiens aussi à exprimer toute ma gratitude, à Mme Emma Rochelle-Newall et à Mr Richard Sempéré d’avoir accepté d’évaluer ce travail et d’en être les rapporteurs. Je les remercie aussi de m’avoir fourni avec la participation de Mr Bruno Charrière des données récoltées au cours de leurs travaux. Ces données ont donné plus de relief à ce travail. Un grand merci de nouveau à Mme Emma Rochelle-Newall et à Mr Bruno Charrière pour leur participation à mon comité de thèse au cours duquel, ils ont su me conseiller et m’orienter sur mes travaux.
Je tiens également à remercier tout particulièrement Mr Felipe Artigas pour sa participation au jury de cette thèse mais aussi de m’avoir intégré à ses travaux et ses programmes de recherche. Grâce à sa participation active notamment dans le cadre des suivis de terrain en Manche, il m’a été rendu possible d’acquérir avec sa participation un grand nombre de données pour ce site. Merci également pour les nombreux conseils qu’il m’a donné au cours de mes travaux.
Mes remerciements s’adressent également aux personnels techniques du laboratoire qui ont joué un rôle majeur dans ces travaux. Merci à Mr Xavier Mériaux et à Mr Arnaud Cauvin pour leur participation sur le terrain ainsi que pour leur aide précieuse sur les aspects techniques de ce travail. Merci également, à Natacha Guiselin et à Morgane Didry pour les diverses analyses cytométriques réalisées.
Je tiens également à remercier Vincent Cornille pour sa participation à ce travail, pour sa bonne humeur constante, c’est un réel plaisir de travailler en ta compagnie Vincent.
face à l’énorme charge de travail qu’ont représenté les mesures expérimentales, pour sa bonne humeur et le soin apporté au travail.
Je tiens aussi à remercier l’ensemble du personnel de "l’ex MREN, au nom encore indéterminé" pour leur accueil chaleureux et leur bonne humeur.
Merci également à l’équipage du Sepia II pour leur aide, leur bonne humeur et ce quel que soit la météo.
Mes remerciements vont aussi à mes compagnons de galère, pour tous ces bons moments et votre aide dans les moins bons. Merci à vous, Fabien, Alice (ma conscience), Tiphaine (Bernard Pivot 2.0), Simon (l’enfant de la garrigue), Anne-Hélène, William, Maxime (dit Lulu), ainsi qu’à tous ceux partis trop tôt.
Ce travail n’aurait pu être réalisé sans la participation financière du CNES, notamment au travers du projet TOSCA MODOC.
Chapitre 1: Introduction générale, contexte et objectifs de thèse...1
Introduction générale ...3
1. Implication du DOC dans les bilans de carbone ...6
2. La matière organique dissoute colorée (CDOM) ...7
2.1. Définition et généralités ...7
2.2. Les sources de CDOM ...9
2.3. Les puits de CDOM ...12
2.4. Propriétés optiques de la CDOM ...13
2.4.1. Absorption de la CDOM ...13
2.4.2. Pente spectrale de la CDOM ...15
2.4.3. Fluorescence de la CDOM...16
2.5. Acquisition des propriétés optiques de la CDOM ...19
2.6. Relations entre propriétés optiques de la CDOM et le DOC ...21
2.7. Intérêts de la signature spectrale de la CDOM dans le domaine UV pour l’estimation des concentrations en DOC ...23
3. Cadre et objectifs de thèse...25
Chapitre 2: Matériels et méthodes ...29
1. Mesures in situ...31 1.1. Zones ateliers...32 1.1.1. La Manche ...32 1.1.1.1. Généralités ...32 1.1.1.2. Stratégie d’échantillonnage...33 1.1.2. La Guyane française ...34 1.1.2.1. Généralités ...34 1.1.2.2. Stratégie d’échantillonnage...35 1.1.2.3. Campagnes à méso-échelle ...35 1.1.2.4. Radiales ...36 1.1.3. Le Vietnam ...37 1.1.3.1. Généralités ...37 1.1.3.2. Stratégie d’échantillonnage...38
1.1.4. Synthèse des acquisitions de données ...39
1.2. Données externes...40
1.2.1. La côte Est américaine (base de données SeaBASS)...40
1.2.2. Le Delta du Rhône...42
1.2.3. La Baie de Marseille (SUNMEX) ...43
1.2.4. La Nouvelle Calédonie...44
2. Mesures en milieu contrôlé ...46
3. Mesures des paramètres biogéochimiques ...49
3.1. La matière organique dissoute ...49
3.1.1. Préparation du matériel ...49
3.1.2. Le carbone organique dissous (DOC) ...50
3.1.2.1. Prélèvement ...50
3.1.2.2. Méthodologie de l’analyse ...50
3.1.2.3. Tests méthodologiques ...53
3.1.3Absorption de la matière organique dissoute colorée ...55
3.1.3.1. Prélèvement ...55 3.1.3.2. Méthodologie de l’analyse ...56 3.1.3.3. Test méthodologiques...58 4. Paramètres ancillaires ...60 4.1. Données hydrologiques ...60 4.2. Mesures optiques ...60
4.2.1. Mesure de la réflectance marine ...60
4.2.2. Le coefficient diffus d’atténuation ...60
4.2.3. Fluorescence in situ de la CDOM et de la chlorophylle a ...61
4.3. Détermination de la concentration en chlorophylle a ...61
4.4. Abondance phytoplanctonique par cytométrie en flux ...63
4.5. Abondance du phytoplancton par fluorescence spectrale...63
4.6. Abondance des bactéries hétérotrophes ...63
4.7. Mesure de la concentration en sels nutritifs...63
Chapitre 3: Dynamique de la CDOM et du DOC dans les sites ateliers ...65
1. Dynamique de la MOD dans les eaux côtières de la Manche orientale ...68
1.1. Variabilité spatio-temporelle...68
1.2. Relations entre les propriétés optiques de la CDOM et les concentrations en DOC1 ...78
1.3. Synthèse...79
2. Dynamique de la MOD dans les eaux côtières de Guyane française ...83
2.1. Variabilité spatio-temporelle de la MOD le long d’une radiale côte-large.79 2.2. Diagrammes de mélange de la CDOM et du DOC ...88
2.3. Relations entre DOC et propriétés optiques de la CDOM ...91
2.4. Synthèse...92
3. Dynamique de la MOD dans les eaux côtières du Vietnam ...96
3.1. Diagrammes de mélange de la CDOM et du DOC ...96
3.2. Relations entre DOC et propriétés optiques de la CDOM ...99
3.3. Synthèse...99
l’estimation du DOC depuis la télédétection spatiale ...107
Abstract ...113
1. Introduction ...114
2. Materials and methods...114
2.1. Development data set...114
2.1.1. Sampling strategy...114
2.1.2. CDOM absorption ...118
2.1.3. DOC concentration...119
2.1.4. Ancillary data ...120
2.2. Validation data set...120
2.3. Statistics ...121
3. Results and discussion ...121
3.1. CDOM optical properties and DOC content variability ...121
3.2. Regional CDOM-DOC relationships...125
3.3. Generalized parameterizations ...127
3.3.1. S275-295 based approach ...127
3.3.2. acdom(412) base approach ...130
3.3.3. Relative performance of regional and generalized approaches ...131
3.4. Implication for remote sensing ...137
4. Conclusions ...143
5. Mise à jour ...146
5.1. Approche base sur S275-295 ...146
5.2. Approche base sur acdom(412) ...148
5.3. Performance des approaches généralisées ...149
5.4. Nouvelles formulations ...151
Chapitre 5: Caractérisation optique d’une production autochtone de matière organique dissoute associée à un bloom phytoplanctonique. Implication pour les estimations des concentrations en DOC depuis la CDOM ...107
Abstract ...158
1. Introduction ...158
2. Material and methods ...160
2.1. Experimental protocol ...160
2.2. CDOM absorption measurements ...161
2.3. Determination of DOC1 ...162
2.4. Chla concentrations and phytoplankton abundance ...163
2.5. Heterotrophic bacteria abundance ...164
2.6. Ancillary parameters ...164
3. Results and Discussion...166
3.1. Phytoplankton, Chla, CDOM and DOC dynamics ...166
3.2. CDOM spectral shape modification ...172
3.3. In situ data ...177
3.4. Implication for DOC estimation from CDOM ...179
4. Conclusion...184
Chapitre 6: Conclusions et perspectives ...187
1. Conclusions ...189
2. Perspectives...193
Références bibliographiques ...197
Liste des figures...215
Liste des Tableaux...227
Chapitre 1
Introduction générale, contexte et objectifs de
thèse
Introduction générale
Le stock de carbone océanique contient différentes formes de composés carbonés comprenant le carbone inorganique dissous (DIC ; CO2, bicarbonate, carbonate), le carbone inorganique particulaire (PIC ; carbonate de calcium des coquilles des organismes), le carbone organique particulaire (POC ; composé d’organismes vivants et morts) et du carbone organique dissous (DOC). Au travers des processus de photosynthèse des végétaux terrestres et des algues des milieux aquatiques, le dioxyde de carbone est converti de sa forme inorganique gazeuse (CO2) en molécules organique (glucides, protéines, acides gras, …). Ce carbone
organique représente moins de 2% du carbone océanique total et se trouve dans les océans essentiellement sous forme dissoute (80–90 %, Bates et Hansell, 1999). La fraction dissoute est théoriquement définie comme étant formée de composés dont la taille est inférieure à 0.2 µm (Figure 1.1). Dans l’océan ouvert, au sein de la zone euphotique, la majorité du DOC est d’origine marine. Il provient principalement de différents processus liés à l’activité biologique des organismes photosynthétiques tels que des processus d’excrétion ou d’exsudation (Myklestad, 2000), mais aussi de l’excrétion des bactéries et du zooplancton, de la lyse virale, ou encore de la dégradation de la biomasse phytoplanctonique par broutage (Sharp, 1977 ; Mykelstad, 2000 ; Lampert, 1978 ; Nagata, 2000).
Figure 1.1. Distribution schématique des matériaux particulaire et dissous en milieu
L’étude des processus sources et des puits de DOC océanique est fondamentale à la compréhension du cycle du carbone. Les zones côtières sont un acteur majeur du cycle de cet élément. En effet, elles sont le lieu de larges flux de carbone liés à une haute productivité et à un important export de carbone continental associés à un fort potentiel de séquestration. En effet, bien qu’elles représentent 7 à 10 % de la surface océanique, ces zones participent à environ 20 % de la production primaire océanique (Jahnke, 2008). La forte représentativité du DOC au sein du réservoir organique de carbone de ces milieux (Bates et Hansell, 1999) en fait donc un des plus grands stocks de carbone organique de la planète (Hedges, 2002) estimé à 700 GtC (Figure 1.2, Laruelle et al., 2010).
Figure 1.2. Cycle global du carbone, les réservoirs sont présente en GtC et les flux en
GtC.an-1, les naturelles sont représentées en noir et les anthropogéniques en rouge (IPCC, 2007).
Figure 1.3. Processus sources, puits et de transformation du DOC dans les eaux côtières.
WSOC, carbone organique hydrosoluble; VOC, carbone organique volatile (Bianchi, 2007).
Toutefois, le carbone organique dissous est toujours le compartiment le moins bien renseigné, la variabilité des nombreux processus agissant sur ce compartiment en faisant par ailleurs un réservoir excessivement dynamique. Dans l’océan côtier, les apports fluviaux peuvent représenter une très importante source de carbone organique dissous venant contribuer de manière significative au stock de DOC de ces milieux (Opsahl et Benner, 1997) avec un export de DOC par les fleuves estimé à 0.3 Pg par an (Sabine et al., 2004). Cette particularité fait des eaux côtières des lieux de forte diversité dans la dynamique du DOC. Cette diversité est déterminée par la variabilité dans l’intensité des nombreux processus sources (production primaire in situ, apports fluviatiles, excrétion…) et puits (photo-dégradation, dégradation bactérienne, floculation…) (Figure 1.3) régissant le stock de DOC. De plus, la nature et l’origine de ce carbone organique influe sur sa sensibilité aux processus de dégradation. Ainsi, le DOC d’origine terrigène est fortement réfractaire à la dégradation bactérienne et sa dégradation est presque exclusivement (90%) opérée par le rayonnement solaire qui la minéralise directement ou qui la fractionne la rendant bio-disponible à la dégradation bactérienne (Figure 1.4, Blair et Aller, 2012).
A l’inverse une grande partie du DOC (50-90 %) issu d’une production marine est rapidement dégradé et reminéralisé par l’activité bactérienne. Ces variations résultent de celles des forçages environnementaux et sont donc modulées de manière régionale et saisonnière.
Figure 1.4. Schématisation des voies de dégradation du DOC terrigène (tDOC), cas concret
des côtes de la Louisiane. Dans la couche de surface la minéralisation de ce tDOC est opérée en synergie par l’effet des radiations solaires et de l’activité bactérienne. Les processus photochimiques sont significatif dans la couche de mélange ou 80 à 90 % des rayonnements photo-chimiquement actifs (λ = 290-490 nm) sont atténués. Sous la couche de mélange, la minéralisation est uniquement opérée par la dégradation bactérienne. (Fichot et Benner, 2014).
1.
Implication du DOC dans les bilans de carbone
A cause de leur haut degré d’hétérogénéité et du manque actuel de données, une importante incertitude réside encore sur les stocks et flux de carbone agissant dans les zones côtières (Bauer et al., 2013) ce qui limite notre compréhension du rôle de ces écosystèmes dans le cycle global du carbone (e.g. JGOFS : Joint Global Ocean Flux Study, LOICZ : Land-Ocean Interactions in the Coastal Zone). En effet les méthodes actuelles d’évaluation ne permettent pas d’integrer le caractére hautement dynamique des flux de carbone dans ces milieux. Les études actuellements disponibles consiste le plus souvent en la réalisation de bilans ces échelles locales, ces
dernières données acquises ponctuellement étant ensuite extrapolées à l’échelle de l’océan côtier ce qui entraîne donc potentiellement un fort degré d’incertitude. Ce haut degré d’incertitude génère donc également un frein à la modélisation du cycle du carbone et à la compréhension du rôle source ou puits de carbone de ces écosystèmes côtiers dans les bilans globaux de carbone (Gattuso et al., 1998 ; Bauer et al., 2013). Ce manque d'informations sur les contenus en DOC dans l'océan côtier peut être principalement lié à la difficulté d’acquisition des mesures de ce paramètre qui réside sur des échantillonnages discrets dont l’analyse nécessite un lourd investissement en matériel et en temps. Il est donc de grand intérêt pour la communauté scientifique de disposer d'une méthodologie offrant la possibilité d’évaluer les concentations en DOC ([DOC], µmol.L-1) de manière moins onéreuse et
offrant une rapidité d’acquisition permettant de tenir compte du caractére très dynamique de ce compartiment. Ce manque de vision synoptique de la participation du DOC au stock et flux de carbone dans les systèmes côtiers représente donc un challenge majeur à l'heure actuelle. Toutefois, une fraction de la MOD posséde une coloration liée à son absorption de la lumière dans certaines parties du spectre visible. Cette fraction appelée matière organique dissoute colorée (CDOM) représente un outil potentiel d’évaluation des concentrations en DOC pouvant mener à une amélioration notable de la couverture spatiale ou temporelle actuelle de la distribution des contenus en DOC dans l’océan côtier.
2.
La matière organique dissoute colorée (CDOM)
2.1. Définition et généralités
La matière organique dissoute colorée (CDOM) correspond à un mélange complexe de composés chimiques de nature variée issus de la dégradation des organismes terrestres et marins. Ses fortes propriétés d’absorption notamment dans les radiations UV, bleues et vertes liées à sa forte teneur en substances humiques lui ont valu d’être connue sous les termes de "gelbstoff" (Kalle, 1937, 1949) ou de "substances jaunes" (Shiffrin, 1988). En effet, lorsqu’elle est présente dans de fortes concentrations elle confère aux eaux une couleur marron-jaunâtre caractéristique.
Dans les milieux côtiers, la CDOM dérive principalement des apports fluviatiles charriant les matériaux organiques issus du lessivage des sols dans les bassins versants associés. Ces zones sont caractérisées par des concentrations plus fortes en CDOM et présentent une hétérogénéité et une dynamique beaucoup plus importante que l’océan ouvert. Dans les systèmes côtiers, on estime que 70 % du DOC est coloré contre 20 % environ en océan ouvert (Laane, 1982). En addition de ces apports fluviatiles, la CDOM est également produite in situ. Elle résulte dans ce cas en partie de l’action de dégradation bactérienne sur les molécules organiques émises dans le milieu par les organismes photosynthétiques ou sur les matières détritiques (Coble et al., 1998 ; Nelson et al., 1998 ; Steinberg et al., 2000).
Figure 1.5. Schématisation des effets directs et indirects de la CDOM sur les écosystèmes
(Source: C. Heil, Scholar commons, University of South Florida).
La CDOM peut également influencer de manière directe ou indirecte le fonctionnement des écosystèmes (Figure 1.5). Dans un premier temps, en lien avec ses propriétés d’absorption, elle va modifier la qualité et la qualité du rayonnement lumineux. D’une part elle va agir comme un film protecteur contre le rayonnement UV les protégeant ainsi d’effets délétères liés à ceux-ci (Vernet et Whitehead, 1996).
Elle peut dans certains cas également modifier la disponibilité de certains rayonnements pour les pigments photosynthétiques des producteurs primaires. Cette modification de la disponibilité de ces rayonnements et donc la potentielle réduction de l’énergie lumineuse arrivant au sein de l’écosystème peut engendrer une diminution de la production primaire (Vodacek et al., 1995 ; Arrigo et Brown, 1996 ; DeGrandpre et al., 1996 ; Häder, 2003). La CDOM va également être dégradée par l’action du rayonnement solaire (Kieber et Mopper, 1987) amenant à la libération de composés organiques assimilables par le phytoplancton et les bactéries (Figure 1.5, Miller et Moran 1997). La CDOM intervient également dans la capture des métaux traces et les hydrocarbures poly-aromatiques et peut ainsi diminuer leur toxicité pour les organismes (Figure 1.5, Coble et al., 2004).
Etant donné que dans les eaux côtières les apports fluviatiles représentent la source principale de CDOM, une corrélation inverse entre la concentration en CDOM et la salinité est souvent observée (Blough et Del Vecchio, 2002) dans ces milieux. Cette propriété en fait un très bon traceur des masses d’eau saumâtres fournissant un outil utile à la caractérisation du mélange des masses d’eau au niveau des panaches estuariens, à l’identification de processus physiques de circulation océanique (Hoge et Lyon, 2005) ou à la prévention des risques de pollution (Clark et al., 2007).
2.2. Les sources de CDOM
La CDOM d’origine terrigène est caractérisée par une forte teneur en substances humiques (acides humiques et fulviques) et un haut degré d’aromaticité lui conférant un haut poids moléculaire (Figure 1.6, Helms et al., 2008). Cette composition chimique particulière confère à la CDOM terrigène de fortes propriétés d’absorption de la lumière. Au sein des zones côtières les sources de CDOM sont multiples mais toutefois les apports fluviatiles sont reconnus pour être la source prédominante de CDOM (Figure 1.7). De ce fait d’importantes quantités de CDOM
Figure 1.6. Structures théoriques des acides fulviques (a) (d’après Buffle, 1988) et des acides
humiques (b) (d’après Stevenson, 1982).
hautement colorée sont introduites dans le milieu côtier. Ainsi, il est fréquemment observé dans ces régions côtières une corrélation inverse entre l’absorption de la CDOM et la salinité (Blough et Del Vecchio, 2002). Une manière de caractériser le mélange entre les eaux douces et les eaux marines est d’établir des courbes de mélange (Figure 1.8). Celles-ci permettent de visualiser le mélange entre ces eaux et renseignent sur l’existence de processus sources qui s’ajoutent à ces apports (Figure 1.8 b) ou puits qui modulent la quantité de CDOM (Figure 1.8 c) le long de son gradient de dilution. On distingue donc 2 grands types de courbes de mélange : (i) le type conservatif, lorsque les apports de CDOM terrigènes représentent la plus grande part de la CDOM présente dans le milieu. Cela se traduit par une distribution linéaire de l’absorption de la CDOM le long du gradient de salinité (Figure 1.8 a) ; (ii) le type non conservatif correspondant à l’intervention d’un ou plusieurs processus source et puits modifiant la linéarité de ce mélange (Figure 1.8 b, c). La courbe (b)
Figure 1.7. Schématisation des différents processus sources et puits agissent sur la CDOM
marine. (Coble, 2007).
correspond à une participation significative d’un processus source additionnel de CDOM au cours du mélange des masses d’eau. A l’inverse, les processus puits tendent à diminuer les concentrations en CDOM observées le long du gradient de salinité (Figure 1.7 c) par rapport à celles attendues en fonction d’un mélange homogène. De manière saisonnière ou régionale, une diminution de l’influence des apports fluviatiles de CDOM au milieu marin peut intervenir. Ces cas correspondent soit à une diminution du débit des fleuves soit à une forte augmentation de la production autochtone de CDOM modulant la dominance des apports terrigènes. Cette production de CDOM autochtone est issue essentiellement de la participation de plusieurs échelons trophiques à la dégradation des exsudats ou de la biomasse phytoplanctonique (Bricaud et al., 1981 ; Nelson et al., 1998 ; Rochelle-Newall et Fisher, 2002a ; Steinberg et al., 2004 ; Romera-Castillo et al., 2010). De manière moins significative, les sédiments et les eaux usées peuvent représenter également une source de CDOM (Mayer, 1999 ; Yamashita et Tanoue, 2003 ; Clark et al., 2007 ; Romera-Castillo et al., 2010).
Figure 1.8. Diagrammes de mélange potentiellement observés en milieu estuarien. Lorsqu’il
est linéaire cil est appelé conservatif, sinon il est non conservatif, traduisant une participation de processus sources et puis au cours du mélange des masses d’eau.
2.3. Les puits de CDOM
Si des processus de dégradation de la CDOM n’intervenaient pas (Figure 1.7), les océans seraient un lieu d’accumulation de ses substances et deviendraient hostiles au développement des organismes et plus particuliérement les producteurs primaires. La CDOM allochtone est composée de molécules fortement bio-refractaires dont l’élimination va être principalement dominée par le processus de photo-dégradation (Mopper et Kieber, 2000). La dégradation bactérienne intervient de manière plus importante dans le processus d’élimination de la CDOM autochtone dont la composition chimique la rend plus accessible pour ces organismes et vient s’ajouter au processus de photodégradation (Obernosterer et Benner, 2004). Ces deux processus de dégradation de la CDOM agissent la plupart du temps en synergie. Toutefois cette synergie varie en fonction de l’origine et donc de la qualité de la CDOM. Lorsqu’elle est d’origine allochtone et donc fortement bio-réfracatire, sa biodégradation est facilitée par la photodégradation qui la fracture en molécules plus petites plus facilement assimilables par les bactéries (Kieber et al., 1990 ; Miller et Moran., 1997 ; Moran et al., 2000, Fichot et Benner, 2014). En ce qui concerne la
CDOM autochtone, l’action de biodégradation produit des composés humiques qui pourront être rapidement photo-dégradés (Stedmon et Markager, 2005).
A ces processus de dégradation liés à l’action du rayonnement solaire et à l’activité bactérienne s’ajoute le processus de photo-blanchiment de la CDOM. Il résulte de la perte des propriétés d’absorbance de la CDOM sous l’action du rayonnement solaire et notamment des ultra-violets. Cette perte d’absorbance résulte d’une part d’une modification de structure chimique des molécules (Reche et al., 2001) ou à une conversion de DOC en DIC (Miller et Zepp, 1995).
2.4. Propriétés optiques de la CDOM 2.4.1. Absorption de la CDOM
De par sa composition moléculaire variable et de nature complexe, la concentration en CDOM ne peut être établie en terme de nombre de molécule par unité de volume. Elle est par conséquent définie et mesurée en fonction de son absorption ou de sa fluorescence. Ces mesures optiques permettent d’obtenir des informations d’ordre quantitatives telles que le coefficient d’absorption ou l’intensité de fluorescence mais aussi d’ordre qualitatives via des informations telles que la pente spectrale ou l’identification de fluorophores spécifiques. Ces données qualitatives permettent de caractériser l’origine et la composition de la CDOM ainsi que d’évaluer l’impact de processus physiques ou biologiques modifiant sa composition.
Les propriétés optiques de la CDOM résultent de la présence de groupes fonctionnels appelés chromophores. Ces groupements possèdent des orbitales électroniques de type π et n lui permettant de former des doubles ou triples liaisons avec des noyaux aromatiques et de former des hétéroatomes (Para, 2011). Ce sont ces chromophores qui confèrent à la CDOM ses propriétés de fluorescence et d’absorption spécifiques dans les domaines spectraux UV et visible. L’absorption correspond à une capture de l’énergie électromagnétique induisant des transitions électroniques dans les différentes orbitales les faisant passer de π à π* et de n à n*. Cette transition électronique se traduit par un passage de la molécule d’un état
fondamental à un état excité (Para, 2011). Afin de retrouver son état fondamental, la molécule portée à l’état d’excitation la molécule dissipe l’énergie sous forme de fluorescence. Les mesures d’absorption et de fluorescence de la CDOM sont réalisées respectivement par spectrophotométrie et fluorimétrie.
Figure 1.9. Spectres d’absorption de la CDOM observés dans les eaux océaniques de la
Manche (courbe bleue) et dans les eaux côtière de Guyane française (courbe noire).
Le spectre d’absorption de la CDOM est décrit selon une loi de type exponentielle négative. En effet l’absorption de la CDOM augmente de manière exponentielle depuis les grandes longueurs d’onde vers les plus petites (Figure 1.9). En lien avec sa complexité moléculaire, le spectre d’absorption de la CDOM obtenu ne présente pas de pic distinct et augmente de manière continue. La valeur du coefficient acdom(λ) fournit une information quantitative relative au contenu en
CDOM de l’échantillon considéré. Cette valeur est fréquemment donnée à la longueur d’onde de 412 nm correspondant au canal disponible dans le bleu depuis la majorité des capteurs d’imagerie satellitaire, là où l’absorption de la CDOM est la plus élevée. Toutefois, il est nécessaire de considérer l’étude de la CDOM à d’autres longueurs d’onde permettant d’obtenir des informations complémentaires telles que la pente spectrale.
2.4.2. Pente spectrale de la CDOM
La pente spectrale de la CDOM permet d'obtenir une information qualitative sur la matière dissoute. Notamment, la pente spectrale entre 275 et 295 nm, S275-295, a
récemment été identifiée comme étant porteuse d’informations sur la nature, la composition et l’histoire de vie lumineuse de la CDOM (Helms et al., 2008 ; Fichot et Benner 2012). De manière générale, S275-295 présente des valeurs faibles (< 0.03 nm-1)
dans les systèmes côtiers fortement influencés par des apports terrigènes de MOD alors que ces valeurs sont globalement plus élevées dans les eaux océaniques (> 0.03 nm-1) (Figure 1.10, Fichot et Benner, 2012). Au sein des zones côtières, la CDOM est riche en MOD de haut poids moléculaire (HMWDOM) et en composés aromatiques comme la lignine (Opsahl et Benner, 1997). Cette composition chimique lui confère une haute sensibilité à la photo-dégradation. Lors de cette photo-dégradation, la
Figure 1.10. Schéma conceptuel illustrant la relation existant entre S275-295 (nm-1) et le poids
moléculaire (MW, kDa) de la CDOM. Le mélange et la photo-dégradation sont les deux processus contrôlant la distribution du poids moléculaire dans les eaux de surface. Cette évolution du poids moléculaire au cours du mélange et de la dégradation explique l’augmentation de S275-295 vers les eaux du large. (Fichot et Benner, 2012).
CDOM enrichit progressivement le stock de CDOM de bas poids moléculaire (LMWDOM) (Figure 1.10) absorbant la lumière à des longueurs d’onde plus courtes que la CDOM terrigène d’origine. Le processus de photo-dégradation de la CDOM se
traduit donc généralement par une augmentation de la pente spectrale dans le domaine UV et notamment S275-295 en lien avec l’histoire lumineuse de la CDOM
(Figure 1.10, Fichot et Benner, 2012 ; Vodacek et al., 1997). Cette dégradation progressive de la CDOM terrigène en fonction de son histoire lumineuse ainsi que son mélange progressif aux eaux marines permet d’expliquer les augmentations observées de S275-295 avec l’augmentation de la salinité dans les sites fortement
influencés par les apports d’eau douce (Figure 1.11, Fichot et Benner, 2012).
Figure 1.11. Exemple de relation entre la pente spectrale S275-295 et la salinité observée dans
les eaux côtières sous forte influence fluviatile (Fichot et Benner, 2012).
2.4.3. Fluorescence de la CDOM
Comme évoqué précédemment, une fraction de la CDOM possède des propriétés de fluorescence qui lui sont conférées par la présence des chromophores. Toutefois, bien que tous les chromophores possèdent des propriétés d’absorption, ils ne fluorescent pas tous. Chaque chromophore fluorescent peut être caractérisé par un couple d’excitation/émission (Ex/Em) spécifique. L’étude de la composition de la CDOM en ces divers chromophores par spectrofluorimétrie permet d’obtenir des spectres d’excitation et d’émission fournissant des informations la composition de la
CDOM, son origine et d’identifier des processus biotiques et abiotiques de dégradation (Coble et al., 1998 ; Yamashita et al., 2008). Actuellement, 8 types principaux de composés fluorescents (fluorophores) ont été identifiés dans les eaux marines (Tableau 1.1). La composition spécifique de la CDOM en ces différents composés est déterminée en réalisant des matrices d’excitation-emission (EEMs) (Figure 1.12). Cette technique repose sur la concaténation de multiples spectres d’émission obtenu au long d’une large gamme d’excitation. Après cette étape la représentation 3D obtenue (Figure 1.12) permet d’identifier des "pics" correspondant aux différents fluorophores.
Les propriétés de fluorescence de la CDOM sont également employées comme proxy pour évaluer le coefficient d’absorption de la CDOM (e.g. Ferrari, 2000 ; Ex355/Em440 nm, acdom(355). En effet de nombreuses études reportent une très
bonne corrélation entre le coefficient d’absorption de la CDOM à la longueur d’onde d’excitation utilisée pour mesurer sa fluorescence (Figure 1.13, Hoge et al., 1993 ; Green et Blough, 1994 ; Ferrari, 2000). Il a été montré que la fluorescence de la CDOM pouvait présenter une corrélation significative avec la concentration en DOC (Saraceno et al., 2009 ; Downing et al., 2008 ; 2009 ; Kowalczuck et al., 2010) et pouvait donc de ce fait etre utilisée comme proxy pour l’évaluation des concentrations en DOC. Toutefois, Rochelle-Newall et al (2013) ont montré que ce type de relations ne semblait pas être universelle en raison de la forte hétérogénéite dans la composition chimique de la CDOM et du DOC au sein des milieux estuariens
Tableau 1.1 Principaux fluorophores identifiés dans les eaux marines (Coble et al.,
et côtiers en réponse à l'action complexe des multiples processus sources et puits agissant dans de tels milieux. Néanmoins, l’emploi de cette méthodologie à l’échelle régionale reste une méthodologie envisageable et pertinente.
Figure 1.12. Représentation de matrices d’excitation-émission (EEM) de trois échantillons
ayant une histoire de vie lumineuse différente. Avec en (a) de la CDOM fraichement issue de l’export par les fleuves, en (b) de la CDOM partiellement dégradée et en (c) de la CDOM fortement dégradée. (Source Paula.G Coble, Charlotte Harbor National Estuary Program – Technical document 07-3).
Figure 1.13. Relation observée entre la fluorescence (St.F.U) de la CDOM excitée à 355 nm
et le coefficient d’absorption de la CDOM à 355 nm (acdom(355), m-1) (Ferrari, 2000).
2.5. Acquisition des propriétés optiques de la CDOM
En laboratoire, les mesures de acdom() se réalisent via une simple mesure
spectrophotométrique qui présente l'avantage d'être faiblement couteuse et rapide, en particulier lorsqu'on la compare aux mesures de DOC. Outre ces mesures en laboratoire effectuées sur des prélèvements discrets d’autres moyens permettent d’obtenir des informations sur les propriétés optiques de la CDOM à différentes échelles. Des mesures du coefficient d’absorption de la CDOM peuvent égalmentetre réalisée in situ par le biais de spectrophotomètres submersibles tels que l’AC-S (Wetlabs). Ces appareils une fois munis de filtres ne laissant passer que la fraction dissoute, permettent d’établir des profils verticaux ou des transects d’absorption de la CDOM. Ces mesures hyperspectrales (400-730 nm) permettent d’obtenir des acquisitions à haute fréquence (4Hz) et avec une résolution spectrale de 4 nm.
L’emploi de capteurs autonomes de fluorescence déployés in situ permet d’obtenir une évaluation de l’absorption de la CDOM. Ces capteurs utilisent les relations qui existent entre la fluorescence et l’absorption de la CDOM (Figure 1.13). Ils peuvent etre placés sur différentes plateformes comme des bouées ou des
structures fixes permettant d’observer la dynamique de la CDOM au sein d’un site à une fréquence élevée. De tels capteurs peuvent etre également équipés sur des profileurs ou des gliders permettant d’obtenir des profils verticaux de distribution de la CDOM. Ces capteurs autonomes permettent d’obtenir une bonne couverture spatiale et temporelle de la distribution de la CDOM et ainsi d'obtenir des informations particulièrement novatrices sur la dynamique de la matière organique dissoute à des échelles fines et potentiellement à haute fréquence temporelle sur de longues périodes d'acquisition.
Un autre moyen d’obtenir une forte couverture spatio-temporelle de la CDOM est la cartographie de sa distribution par l’imagerie satellite dite "couleur de l’eau". Cette méthodologie est basée sur le développement d’algorithmes empiriques ou semi-analytiques permettant de définir les valeur d’acdom(λ) à partir des mesures de
la réflectance marine, qui représente la grandeur physique obtenue à partir des mesurs satellitales de la couleur de l'eau (Mannino et al., 2008 ; DelCastillo et al., 2008 ; Bélanger et al., 2008 ; Loisel et al., 2014). Ainsi il est possible d’évaluer la distribution de la CDOM de manière synoptique (Figure 1.14) avec une résolution spatiale fine à une fréquence quasi journalière et sur des périodes maintenant suffisamment longues (données en continu depuis 1997) pour étudier la dynamique saisonnière et interannuelle de la CDOM. Jusque récemment, l'estimation de acdom(λ)
depuis la télédétection couleur de l'eau souffrait de la difficulté pratique de séparer le signal d'absorption liée aux particules non algales (NAP) de celui de la CDOM depuis les mesures radiométriques, en raison de la très forte similitude des spectres d'absorption spécifiques de ces deux composantes optiquement actives de l'eau de mer (décroissante exponentielle négative). La CDOM et les NAP étaient donc par conséquent regroupés en un seul terme représentant l'absorption de la matière détritique colorée (acdm()). Dans les eaux océaniques, la part de aNAP dans les valeurs
de acdm reste relativement restreinte (environ 10 % à 412 nm, Siegel et al., 2002). Dans
les eaux côtières, la contribution relative de acdom() et aNAP() dans les valeurs de
acdm() peut être extrèment variable et par conséquent l'utilisation de acdm() pour
suivre la dynamique de la matière organique dissoute n'est pas adaptée dans de tels milieux. Dans ce contexte, de récents algorithmes ont été développés pour extraire
spécifiquement acdom() de la réflectance marine. Ces algortihmes d'inversion sont
basés sur des relations empiriques utilisant par exemple des rapports de réflectance bleu/vert (Mannino et al., 2008, D'Sa et al., 2006) ou encore sur des modèles semi-analytiques (e.g. Dong et al., 2013).
Loisel et al (2014) ont récemment proposé un algorithme d’inversion semi-analytique afin de dériver les valeurs du coefficient d’absorption de la CDOM à 412 nm (acdom(412)) à partir des coefficient d'attenuation diffus Kd à différentes longeurs
d'ondes. La validité de cette formulation a été établie sur différents sites côtiers et sur de larges gammes de acdom(412).
Figure 1.14. Cartographie de la distribution du coefficient d’absorption de la CDOM à 412
nm (acdom(412), m-1) dans la Baie de Chesapeake. (Mannino et al., 2014).
2.6. Relations entre propriétés optiques de la CDOM et le DOC
Dans les zones côtières, la CDOM représente une grande partie du carbone organique dissous (70%, Laane, 1982). Bien que cette CDOM ne représente qu’une partie du DOC, de nombreuses études menées dans ce type de systèmes font état de relations linéaires fortement significatives entre ces deux paramètres (Vodacek et al., 1995 ; 1997 ; Rochelle-Newall et Fisher 2002a ; Chen et al., 2002 ; Mannino et al., 2008). Ces relations sont caractérisées par une dépendance des valeurs de concentration en DOC vis-à-vis du coefficient d’absorption de la CDOM et une ordonnée à l’origine positive sur l’axe du [DOC] comprise entre 50 et 100 µmol.L-1 indiquant que les eaux
du large sont pauvres en matière colorée (Figure 1.15, Del Vecchio et Blough, 2004). L’emploi des propriétés optiques de la CDOM pour obtenir les concentrations en DOC représente une bonne alternative aux mesures de DOC via des classiques analyses chimiques qui sont fastidieuses et onéreuses. Ces données optiques présentent en revanche l’avantage d’être rapidement et facilement acquises in situ que ce soit de manière discrète ou continue (Vodacek et al., 1997 ; Hitchcock et al., 2004). De plus, l’absorption de la CDOM peut être évaluée depuis l’espace au travers de relations empiriques ou semi-analytiques fournissant ainsi un outil possédant une importante couverture spatio-temporelle permettant l’évaluation de la distribution de la CDOM et du DOC potentiellement de manière synoptique.
Figure 1.15. Relation observée entre le coefficient d’absorption de la CDOM à 355 nm
(acdom(355), m-1) et la concentration en DOC (µmol.L-1) dans les eaux côtière des USA de
l’Atlantic médian en été (cercles) et en automne-printemps-hiver (carrés) (Mannino et al., 2008).
Toutefois les relations entre CDOM et DOC, qui représentent le pré-requis indispensable pour estimer le DOC depuis une mesure optique, sont susceptibles de subir d’importantes modifications. Ceci est particulièrement vrai à l'échelle saisonnière, en raison des modulations potentielles dans l’intensité et la contribution relative des différents processus sources et puits (production autochtone par le phytoplancton, processus photodépendants …) régissant la dynamique du CDOM et du DOC en un site donné (Figure 1.15, Blough et Del Vecchio, 2002 ; Del Vecchio et Blough, 2004 ; Mannino et al., 2008). En présence d'une production biologique de MOD, la relation entre l’absorption de la CDOM et [DOC] peut être fortement modifiée ou altérée en lien avec une modification de la composition de la MOD (Astoreca et al., 2009, Rochelle-Newall et al., 199 ; Rochelle-Newall et Fisher 2002a ; Romera-Castillo et al., 2010 ; Mannino et al., 2008). Ces variations des processus sources et puits et de le nature de la MOD altèrent fortement notre habileté à estimer les concentrations en DOC depuis le coefficient d’absorption de la CDOM.
Les relations CDOM-DOC varient également à une échelle régionale compte tenu de l'hétérogénéité spatiale qui existe dans la nature et de l’origine de la CDOM dans le domaine côtier. La pleine exploitation du potentiel représenté par les mesures de acdom() pour estimer les contenus en DOC dans les eaux côtières depuis des
mesures in situ issues de mesures discrètes, réalisées depuis des plateformes novatrices ou encore depuis des observations réalisées grâce l’imagerie spatiale, nécessite une meilleure caractérisation des variations de la relation CDOM-DOC aux précédentes échelles. Ceci implique donc de mieux contraindre les paramètres environnementaux responsables de la variation naturelle observée dans le lien entre ces deux paramètres.
2.7.Intérêts de la signature spectrale de la CDOM dans le domaine UVpour l’estimation des concentrations en DOC
Récemment, une approche alternative à l’emploi du coefficient d’absorption
Benner (2011). Cette dernière repose sur la relation qui existe entre la pente spectrale S275-295 et le coefficient d’absorption spécifique de la CDOM, dans le cas de cette étude
à 355 nm (a*cdom(355) = acdom(355)/[DOC], m².mmol-1) (Figure 1.16). Ces auteurs ont
montré que l’emploi de S275-295 permettait de contraindre la variabilité saisonnière du
coefficient de a*cdom(355) en un site donné (e.g Golfe du Mexique) et par conséquent
d’estimer les concentrations en DOC (Figure 1.17) avec une meilleure précision que depuis la mesure du coefficient d’absorption. Ces mêmes auteurs ont testé la validité de cette approche par exemple en Mer de Beaufort où elle a montré des performances similaires. Ces résultats soulignent le potentiel de cette approche pour l’estimation des contenus en DOC des milieux côtiers sous influence des apports terrigènes. La pertinence de cette approche reste toutefois à être évaluée au sein d’autres sites côtiers aux caractéristiques bio-optiques contrastées afin de déterminer si son usage représente une alternative plus performante que la méthodologie conventionnelle.
Figure 1.16. Relation entre S275-295 et a*cdom(355) obtenue dans le Golfe du Mexique par
Figure 1.17. Concentrations en carbone organique dissous calculées en utilisant la relation
entre S275-295 et a*cdom(355) (Fichot et Benner, 2011).
3.
Cadre et objectifs de thèse
Les eaux côtières sous forte influence fluviatile montrent une forte dynamique de la CDOM et du DOC liée à d’intenses variations des processus sources et puits. La participation de certains compartiments biologiques à leur production ou à leur dégradation est encore mal connue et restent à être définie afin de pouvoir apprécier de manière plus fine la dynamique de ces compartiments au sein de ces masses d'eau.
Dans ces écosystèmes, la forte représentativité de la CDOM au stock de DOC fait apparaitre de manière générale des relations entre le coefficient d’absorption de la CDOM et la concentration en DOC. Celles-ci permettent l’emploi de l’absorption de la CDOM pour l'estimation rapide et peu couteuse les concentrations en DOC, par un échantillonnage discret, par le biais capteurs in situ ou depuis la télédétection spatiale "couleur de l’eau". Toutefois les relations CDOM-DOC ne sont pas ubiquistes et reposent sur un équilibre entre les processus sources et puits s’exerçant sur le milieu. Cet équilibre est susceptible de varier fortement à l'échelle saisonnière ou régionale. Cette forte variabilité de la dynamique de la CDOM et du DOC et donc de leur lien, rend difficile l’emploi de relations empiriques directes entre ces deux
paramètres dans un contexte d’étude des stocks et flux de DOC sur de larges échelles spatiales. De la même manière, l'intégration de la dimension saisonnière, même dans un contexte d'application locale, basée sur de telles relations représente également un challenge pratique important.
De ce fait, il apparait particulièrement nécessaire de développer des outils permettant une couverture spatiale et temporelle plus large de la distribution des stocks de DOC et ainsi pouvoir apprécier la dynamique DOC dans le domaine côtier et obtenir des informations qui permettront de mieux contraindre le rôle de ces écosystèmes dans les bilans globaux de carbone.
L’emploi de la pente spectrale S275-295 afin de déterminer les concentrations en
DOC semble être une piste potentielle à cette précédente limitation liée à la variabilité de la relation entre acdom(λ) et [DOC]. L'étude menées par Fichot et Benner
(2011) a clairement permis de démontrer le potentiel de S275-295 pour contraindre la
variabilité naturelle du coefficient d'absorption spécifique de la CDOM et donc pour estimer plus précisément les contenus en DOC dans les eaux côtières dominées par les apports terrigènes. La méthodologie proposée par ces différents auteurs au début de ce travail de thèse présentait cependant différentes limitations potentielles. Tout d'abord la validité de l'approche proposée restait à être établie sur une plus large diversité de sites côtiers. En outre, l'applicabilité de cette méthode basée sur S275-295
pour des applications couleur de l'eau semblait limitée puisque les capteurs utilisés dans le cadre de la télédétection couleur de l'eau ne disposent pas à l'heure actuelle de telles informations dans le domaine ultraviolet.
Enfin, une solution alternative restait à être établie pour des situations pour lesquelles une contribution significative de la production marine de CDOM et DOC prévaut et pour lesquelles l'utilisation de S275-295 n'est pas adaptée.
Dans ce contexte général, les objectifs spécifiques de cette étude ont été de :
(i) Caractériser les dynamiques de la CDOM et du DOC et de la relation entre acdom(λ) et [DOC] en réponse à l'action des différents forçages
environnementaux agissant dans des sites côtiers aux caractéristiques hétérogènes.
(ii) Déterminer s’il est possible d’obtenir une relation entre les propriétés optiques de la CDOM et les concentrations en DOC généralisable à ces sites côtiers aux caractéristiques contrastées.
(iii) Caractériser spécifiquement l’impact d’une production biologique de CDOM et de DOC sur les relations entre ces paramètres.
Pour réaliser des objectifs, ce travail de thèse s'est concentré sur l'étude de la dynamique du CDOM et du DOC et de leur relation dans trois sites côtiers aux caractéristiques contrastées. Les sites choisis ont été : (i) la Manche orientale marquée par un climat tempéré, un fort hydrodynamisme et une dominance des apports de MOD d’origine terrigène issue des cours d’eau (Brunet et al., 1996 ; Brylinski et al., 1996 ; Vantrepotte et al., 2007), tendance qui se voit inversée au cours du printemps où elle est supplantée par une production autochtone de MOD issue de l’intense bloom phytoplanctonique de l’algue Phaeocystis.globosa (Vantrepotte et al., 2007) ; (ii) la Guyane française, zone au climat équatorial, dont les eaux côtières reçoivent de très importantes quantités de MOD terrigène depuis les nombreux fleuves locaux ainsi que par le panache amazonien mais également par les mangroves bordant le littoral (Dessier et Donguy, 1994) et (iii) les eaux côtières du Vietnam influencées par les apports du Fleuve Rouge au Nord et du Mékong au Sud, au sein desquelles une influence importante des activités humaines existe notamment en lien avec une forte urbanisation et l’agriculture (Duong et al., 2006).
En complément des acquisitions de données faites dans ces sites, un jeu de données externes a été collecté afin d’intégrer cette étude à une plus grande diversité de sites côtiers et donc de valider les méthodes développées à partir des données recueillies dans les trois sites ateliers précités.
L’étude s'est également appuyée sur la réalisation d’une expérience en milieu contrôlé. Celle-ci avait pour but d’identifier une signature optique caractéristique d’une production de MOD visant à améliorer notre compréhension de la cinétique de sa production au cours d’un bloom phytoplanctonique, notamment celui de P.globosa caractéristique des eaux côtières de la Manche orientale
Ce manuscrit est organisé sous forme de quatre chapitres dont certains font référence à des articles publiés ou en préparation (Chapitres 4 et 5).
Le second chapitre de ce manuscrit porte sur la stratégie d’échantillonnage et sur les matériels employés au cours de cette étude. Y seront particulièrement détaillées les méthodes optiques et chimiques d’étude de la MOD qui ont représenté une part importante de ce travail de thèse.
Le Chapitre 3 détaille la dynamique et la variabilité de la distribution du CDOM et du DOC telles qu'observées dans les différents sites d’étude. Ce chapitre met l’accent sur l'impact des différents forçages environnementaux rencontrés dans les différents sites ateliers et leur impact sur la variabilité saisonnière ou régionale du lien entre les propriétés optiques de la CDOM et les contenus en DOC.
Le Chapitre 4 propose un algorithme général dédié à l’estimation des concentrations en DOC dans les eaux côtières sous influence terrigène et adapté pour des applications in situ ou aux données issues de la télédétection couleur de l'eau.
Le Chapitre 5 traite des résultats obtenus lors des expériences menées en conditions contrôlées et de l’identification d’un marquage optique d’une production de MOD autochtone utilisable afin d’améliorer l’évaluation des concentrations en DOC depuis la CDOM durant des périodes de bloom phytoplanctoniques.
Enfin, dans le dernier chapitre, nous dresserons les conclusions de cette étude dont certains aspects semblent être novateurs pour l’étude de la dynamique du carbone organique dissous dans les zones côtières et nous aborderons également les perspectives que ce travail offre pour à court ou moyen terme.
Chapitre 2
1.
Mesures
in situ
Les données exploitées dans cette étude ont été récoltées dans 3 sites côtiers fortement contrastés que sont la Manche orientale, les eaux côtières de la Guyane française et celles du Vietnam (Figure 2.1). D'une manière générale, les plans d’échantillonnages réalisés dans ces 3 régions ont consistés en l’acquisition d’échantillons des cours d’eau vers les eaux côtières de manière à obtenir une caractérisation de la variabilité naturelle des paramètres biogéochimiques et optiques étudiés et ce sur de large gammes. Ces différents échantillonnages ont aussi permis de tenir compte, au moins partiellement, de la variabilité saisonnière de ces paramètres en réponse aux variations des différents forçages environnementaux. Les échantillonnages se sont déroulés au cours de différentes missions réalisées au cours de la période 2010 -2014. Ces mesures ont été réalisées dans le cadre de différents programmes de recherche (ANR GlobCoast, PI H. Loisel, TOSCA MODOC, PI. V; Vantrepotte, TOSCA VITEL, PI S. Ouillon, DYMAPHY, PI F.Artigas).
Figure 2.1. Localisation des différents sites d’échantillonnage, en noir les échantillonnages
réalisés dans le cadre de cette étude et en rouge les échantillonnages externes dont les données ont également été exploitées.
En complément de ces acquisitions terrain, une base de données externes provenant de bases internationales ou issues de collaborations a été établie. Ces données concernent des mesures acquises sur la côte Est des Etats-Unis, dans le Delta du Rhône ou encore en Nouvelle-Calédonie (Figure 2.1). Elles ont permis d’une part, d’élargir les gammes des différents paramètres étudiés et ainsi permettre d'estimer si les résultats acquis sur nos sites ateliers restent valides à une plus large échelle. .
1.1. Zones ateliers 1.1.1. La Manche
1.1.1.1. Généralités
La Manche orientale est une mer épicontinentale soumise à un fort hydrodynamisme dont la profondeur maximale ne dépasse guère 50 m. Ce fort hydrodynamisme résulte de cette faible profondeur associée à la forte amplitude des marées dans ce secteur (régime mégatidal avec un des plus forts marnages du monde pouvant atteindre 9 m lors des marées de vives eaux). Ce fort marnage engendre un fort courant résiduel de marée orienté vers le Nord (Salomon et Breton, 1991) agissant sur la dispersion des importants apports en eaux douce provenant des nombreux cours d’eau qui jalonnent la côte depuis la baie de Seine jusqu’au détroit du Pas-de-Calais. Ces caractéristiques (association de forts courants résiduels orientés vers le Nord et intenses apports fluviatiles) génèrent la formation d’une structure hydrologique particulière appelée « un fleuve côtier » (Brylinski et al., 1996). Cette structure est caractérisée par la présence d’une bande d’eau côtière présentant une plus faible salinité que les eaux du large de la Baie de Seine au détroit du Pas de Calais.
D’autre part les eaux côtières de la Manche subissent également une forte influence biologique. Elles sont caractérisées par la présence d’importantes efflorescences phytoplanctoniques printanières notamment de diatomées et de la prymnésiophyte P.globosa (Brunet et al., 1996 ; Breton et al., 2000) qui sont à l’origine de la présence d’importantes biomasses algales pouvant dépasser au plus fort du bloom des valeurs de 30 mg Chla.m-3. Ces fortes biomasses phytoplanctoniques
tardif de la biomasse peut être attribué à une production régénérée mais aussi à un apport en sels nutritifs depuis les cours d’eau. Une efflorescence automnale, de plus faible amplitude que l'efflorescence printanière peut être également observée en lien avec un enrichissement des eaux côtières via les apports terrigènes et la présence d'éclairement en quantité encore suffisante (Vantrepotte, 2003). L’importance, tant au niveau de l’amplitude que de la durée, de ces efflorescences algales implique une potentielle modulation significative de la dynamique de la MOD au sein de cette zone côtière (Vantrepotte et al., 2007).
1.1.1.2.Stratégie d’échantillonnage
Figure 2.2. Situation géographiques des cinq stations de prélèvement (S1, S2, S3, S4, S5) le
long de la radiale côte-large du programme « DYPHYRAD ».
Des campagnes d’échantillonnages régulières (Figure 2.3) ont été organisées afin d’observer finement la variabilité spatiale et temporelle de la dynamique de la
CDOM et du DOC. Ces échantillonnages ont été réalisés au cours des missions DYPHYRAD (2012 à 2014) à bord du navire océanographique Sepia II (INSU/CNRS). Ils ont consisté en la collecte régulière d’échantillons en cinq stations (S1, S2, S3, S4, S5) le long d’une radiale côte-large (Figure 2.2, Tableau 2.1). Cet échantillonnage a permis de tenir compte d’une part de la spécificité que représente le « fleuve côtier » influençant le schéma de distribution et la dynamique de la MOD d’origine terrigène introduite dans le milieu par les cours d’eau, mais aussi d’observer la variabilité saisonnière induite aussi par les forçages biologiques notamment liés l’efflorescence printanière de P.globosa.
Figure 2.3. Acquisitions de données réalisées au niveau des cinq stations de la radiale
DYPHYRAD (S1, S2, S3, S4, S5) dans les eaux côtières de la Manche au cours de la période 2012-2014.
1.1.2. La Guyane française 1.1.2.1. Généralités
Les eaux côtières de la Guyane française sont un bon exemple d’écosystèmes dont les caractéristiques biogéochimiques sont fortement influencées par les apports terrigènes qu'ils soient régionaux (Amazone) ou locaux (cours d'eaux Guyanais et mangroves bordant le littoral) (Froidefond et al., 2002). L’influence du panache amazonien est particulièrement marquée de janvier à juillet, période pendant
laquelle le courant Nord brésilien transporte les eaux amazoniennes le long des côtes de Guyane via le courant des Guyanes (Dessier et Donguy, 1994 ; Curtin et Legeckis, 1986). De juillet à décembre, dû à des modifications dans le régime des vents, le courant Nord brésilien est dévié vers l’Est et l’influence du panache amazonien dans les eaux Guyanaises est de ce fait fortement diminuée (Froidefond et al., 2002). La Guyane française est également soumise à de fortes variations saisonnières de son régime pluviométrique, se traduisant par l'alternance d’une saison sèche (du mois de juillet au mois de novembre-décembre) et d'une saison des pluies (du mois de décembre à la fin du mois de juin). Cette zone présente aussi la particularité d’être peu influencée par les activités anthropiques (Froidefond et al., 2004 ; Gardel et Gratiot, 2005).
1.1.2.2.Stratégie d’échantillonnage
La dynamique de la MOD dans les eaux côtières de la Guyane française a été appréhendée au travers de deux missions à méso-échelle ponctuelles (saison sèche 2010 et saison humide 2012) et d'un échantillonnage régulier le long d'une radiale côte-large (depuis juillet 2014 et toujours encours actuellement).
1.1.2.3. Campagnes à méso-échelle
Dans le cadre de cette étude, deux campagnes d’échantillonnage ont été réalisées en Guyane française (Figure 2.4). Celles-ci ont consisté en l’acquisition d’échantillons de surface dans les eaux côtières ainsi que dans les estuaires des différents cours d’eau qui influencent localement les masses d'eaux littorales (du Nord-ouest au Sud-est : Le Kourou, Le Mahury, L’Approuague et L’Oyapock) (Figure 2.4). Ces campagnes se sont déroulées d’une part en saison sèche (octobre 2010) et d'autre part en saison humide (juin 2012) (Tableau 2.1) ce qui a permis d'obtenir un aperçu de la dynamique saisonnière de ces milieux, et d'illustrer l'influence fortement contrastée du panache amazonien sur ce domaine côtier.
Figure 2.4. Localisation des échantillonnages réalisés dans les eaux côtières de la Guyane
française au cours des missions d’octobre 2010 (en bleu) et de juin 2012 (en rouge).
1.1.2.4. Radiales
Afin d’observer plus précisément la dynamique saisonnière de la matière organique dans les eaux côtières guyanaises des échantillonnages ont été réalisés à une échelle de spatio-temporelle plus fine. Ainsi, sur une période comprise de juillet 2014 à juillet 2015, des échantillons ont été récoltés de manière mensuelle le long d’une radiale côte-large (7 stations) située face à l'estuaire du Mahury (Figure 2.5). Le point le plus distant étant situé à 20 milles des côtes, cette radiale permet à la fois d'avoir une information sur l'impact de ce fleuve local pour les points les plus côtiers mais aussi d'illustrer l'influence au large des apports amazoniens.
Figure 2.5. Situation géographiques des sept stations de prélèvement le long de la radiale
côte-large réalisé mensuellement dans les eaux côtières de Guyane française durant la période 2014 et 2015.
1.1.3. Le Vietnam 1.1.3.1. Généralités
Cette étude porte enfin sur des échantillonnages réalisés dans les eaux côtières vietnamiennes. Cette région est également fortement influencée par d’importants apports d’eau douce notamment par le Fleuve Rouge au Nord et par le Mékong au Sud. Ces deux fleuves sont respectivement le quatrième et le troisième plus grand fleuve d’Asie du Sud-est en termes de superficie de leur delta (Tanabe et al., 2003). Les bassins versants de ces deux grands fleuves sont fortement influencés par les activités humaines, notamment l’agriculture. Les deltas de ces fleuves font aussi l’objet d’une très forte urbanisation et présentent une très forte densité de population. En effet, dans le delta du Fleuve Rouge, se concentrent trois des 15 plus grandes métropoles du pays Hong Gai, Hăi Phòng et la capitale du pays Hanoi,
portant la densité de population de cette zone à 1160 hab/km² (Luu et al., 2010). Le delta du Mékong quand à lui héberge également trois autres des quinze plus grandes villes du pays que sont Hô-Chi-Minh-Ville, Cān Tho’ et Long Xuyen. La densité de population de cette zone atteint les 570 hab/km² (Eastham et al., 2008). Le climat au Vietnam est aussi caractérisé par la présence d’une saison sèche entre novembre et avril et d’une saison humide de mai à octobre marquée par une période de moussons durant les mois de juillet et août.
1.1.3.2.Stratégie d’échantillonnage
Figure 2.6. Carte des échantillonnages réalisés au Nord et au Sud du Vietnam au cours des
missions VITEL de 2011 (en bleu), 2013 (en rouge) et 2014 (en orange).
Les missions « VITEL » (Vietnam TELédétection, TOSCA PI S. Ouillon) ont été réalisées dans les eaux côtières du Vietnam lors de trois missions distinctes en 2011, 2013 et 2014 au cours desquelles des échantillonnages ont été effectués à la fois au Nord et au Sud du pays (Figure 2.6). Ceci a permis d'avoir une illustration de
